文档介绍：汤祺:闭式叶轮三维造型及模具设计与制造·1·
闭式叶轮三维造型及模具设计与制造
(工程技术学院机械电子工程系机械设计及其自动化汤祺)
(学号:2001111006)
内容提要:本文以叶轮熔模铸造为工程背景,针对二维图纸设计的叶轮进行三维建模,对叶
片二维工程图上的离散点进行采集,然后在符合原水力设计意图的基础上拟合出平滑的曲面,分
别对多种建模曲面进行了虚拟测试,选择最合理的曲面建模方法。由于叶片在加厚方向不等厚,
应用了 UG 曲面缝合和实体造型工具对叶片进行了加厚。叶片蜡模组装阶段的定位采取了销孔配
对定位方式,使定位装配准确而简单,并且容易实现,叶片模具设计和蜡模组装中虚拟定位方案
的选取在 UG 中互动进行,模组加入了侧抽芯对叶片中的定位孔成型,保证了分型面设置在叶片
的非工作表面,提高工作面精度。模拟加工直观地选择切削参数和走刀方式,使实际加工效率和
表面精度提高且使用刀具数量减少。生成的 G 代码在 UG 中进行后处理后,在三菱系统数控机
床中可实现自动换刀和刀具长度补偿等功能。最终注蜡出来的蜡模经过熔模铸造后可以得到无焊
接缝的优质水轮。
关键词:离心泵、熔模铸造、叶轮、叶片、压型设计、C)、 UG 系统。
教师点评:叶轮熔模铸造是一种先进的叶轮制造技术,可大大提高制造精度。本文采用现代
设计及制造方法,以某型号离心泵的叶轮为案例,从传统设计的二维图纸出发,对熔模铸造中涉
及到的关键技术进行了探索。论文考察了由离散点拟合三维曲面的几种方式,并提出对拟合结果
进行虚拟测量的方法;解决了叶片蜡型组模时与前后盖板的定位结构设计,完成了含有侧抽芯模
具的设计及制造。该文为叶轮设计制造人员提供了新的思路。(点评教师:王志红,讲师)
1 目前叶轮设计过程、工艺技术分析
水泵行业中传统的设计制造方法是根据相似换算法或速度系数法计算出叶轮基本参数,绘出
二维水力模型图,根据二维图型中各个轴面的点坐标制作样板,并在试验台上反复试验最终得出
符合要求的叶型,再利用样板制作木模进行砂型铸造。这种二维设计过程的缺点是:1)表面精
度较差,闭式叶轮内表面无法通过机械加工提高表面质量,粗糙的表面会增加水力损失,降低水
泵效率;2)当叶片与盖板的夹角过小时,容易出现夹砂现象,降低成品率;3)叶型精度差会使
液体在叶轮内流动时产生逆流,增大气蚀可能;4)材料耗费严重,设计周期长。针对该情况,
本文在前、后弯叶片采用骨架法设计的同时,运用三维参数化技术来进行叶片的造型、虚拟叶型
测量代替试验台测试、应用 UG 逆向工程对叶片叶型进行精改,大大缩短了产品的设计周期,提
高叶型精度和叶片表面粗糙度,而且避免不必要的材料浪费。
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汤祺:闭式叶轮三维造型及模具设计与制造·2·
传统设计过程: 二维方法:1、二维图纸制成木模,
2、在试验台上反复试验最终得出符合要求的叶型,
3、修改图纸,制新木模。
代替
参数化设计过程:
三维方法:1、对二维图纸进行 UG 三维曲面建模,(提高叶型精度)
2、UG 模型分析, (避免材料浪费提高测量精度)
3、UG 逆向工程修改模型。(缩短设计周期)
图 1 设计流程改进示意图
长期以来一直使用的叶片制造工艺方法是通过“砂型铸造→砂轮铲磨→立体样板检测”的制
造工艺,生产效率非常低,叶片精度难以保证,该方法成型的工件表面光洁度低,严重影响叶轮
的工效,容易造成表面空蚀磨损。也不能有效地保证制造质量,不能满足当前流体机械设备市场
竞争的要求。“大型叶轮机叶片的五轴联动数控加工工艺技术”是当今世界发电设备制造业中制
造涡轮叶片的关键技术之一,也是当今机械加工技术中的尖端技术。但是由于涉及技术的难度大,
加工设备昂贵,设计过程复杂,而且加工时间长,所以只适用于大型发电设备叶轮叶片的小批量
生产,再加上当加工窄流道多叶片叶轮时,会发生干涉现象,所以要通过精密计算得出修正值,
而且装夹定位也是一项技术上的难题[1]。熔模精密铸造又称为“失蜡铸造”,在半个世纪中一直
以较快的速度发展着,目前,正处于由军工产品为主转为民用商业产品为主的结构转型期。熔模
铸造是用易熔材料制成模型,然后用造型材料将其包住,经过硬化,再将模型熔失,从而获得无
分型面的铸型[2]。除此以外,对以叶轮为工程背景的相似机械部件的整体成型十分适合,首先,
它对要求薄而强的叶片成型有突出的优越性;其次它能对叶片等要求表面光洁程度高的表面成
型;并且通过蜡模状态下进行叶轮定位组装后,熔模铸出的叶轮结构更为合理,无焊接缝的叶轮
能够胜任更恶劣的工作环境。
2 叶片造型